工業(yè)軟件——機(jī)器制造商可持續(xù)研發(fā)的關(guān)鍵

文:貝加萊工業(yè)自動(dòng)化(中國)有限公司2023年第六期

  最近幾年,工業(yè)軟件成為產(chǎn)業(yè)熱議的焦點(diǎn)。然而人們更多的目光放在了CAX、仿真類軟件;而作為制造工廠里最大資產(chǎn)占比的機(jī)器,它們所運(yùn)行的嵌入式軟件,以及開發(fā)這些嵌入式應(yīng)用的平臺(tái)軟件尚未得到重視。本文將以機(jī)器開發(fā)的軟件演進(jìn),以及開發(fā)平臺(tái)如何有效的構(gòu)建機(jī)器的應(yīng)用軟件的機(jī)制,來闡述自動(dòng)化開發(fā)工業(yè)平臺(tái)軟件的價(jià)值和意義。

  文/貝加萊工業(yè)自動(dòng)化(中國)有限公司

  1 從印刷的視角看機(jī)器的演進(jìn)

  為了清晰地說明機(jī)器的發(fā)展,我們可以選擇其中一個(gè)行業(yè),如印刷技術(shù),來展示機(jī)器控制技術(shù)的演進(jìn)。

  印刷,改變著人類文明的進(jìn)程,通過印刷,文字所承載的文明得以被傳承。經(jīng)歷了雕版/活字,到古登堡的機(jī)械傳動(dòng)印刷機(jī)、輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)、卷筒印刷這個(gè)鉛與火的時(shí)代,在20世紀(jì)進(jìn)入了電氣傳動(dòng)控制時(shí)代,印刷也快速進(jìn)入了發(fā)展變更期,及至數(shù)字印刷技術(shù)的快速成長,并從單機(jī)發(fā)展到數(shù)字化運(yùn)營時(shí)代。

  自20世紀(jì)進(jìn)入電氣時(shí)代,印刷機(jī)開始有了電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械長軸傳動(dòng)的階段。到了約90年代,伺服電機(jī)被廣泛應(yīng)用,電子軸或稱為無軸傳動(dòng)開始逐步取代機(jī)械長軸,以提供更高速和靈活的印刷作業(yè)。隨著紙張的種類開始擴(kuò)張,瓦楞紙、塑料薄膜、金屬材料也被用于包裝材料,印刷開始擴(kuò)張到軟包裝、紙板、金屬等包裝領(lǐng)域。印刷的速度不斷突破極限(高速新聞紙可以達(dá)到1200m/min速度),而精度也在不斷的提高。另一方面,作為一個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域,它在不斷的競(jìng)爭(zhēng)中對(duì)于成本也變得苛刻——這就要求更低的廢品率,以及快速切換中降低浪費(fèi)……凡此種種,都依賴于控制技術(shù)來保障。

工業(yè)軟件

  圖1 印刷關(guān)鍵控制工藝軟件

  如圖1所示,印刷機(jī)也需要更多的控制軟件支撐這些復(fù)雜的變化,以及更高的精度與速度要求。在印刷機(jī)里,包括張力控制、色標(biāo)檢測(cè)、套色控制、視覺、智能調(diào)壓、智能學(xué)習(xí)等,都被應(yīng)用于各種印刷機(jī)組的控制系統(tǒng)中。

  這種包括印刷機(jī)的各種領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)機(jī)器中運(yùn)行的軟件,往往被忽視——而制造業(yè)的關(guān)鍵通常又在這里——設(shè)備是工廠最為重要的資產(chǎn),它的穩(wěn)定運(yùn)行決定企業(yè)的盈利能力。這些被看不到的軟件,決定著機(jī)器的競(jìng)爭(zhēng)力:更高的品質(zhì),更高速、更廣泛的材料適應(yīng)性,更為全局的連接。

  而在不同的機(jī)器制造業(yè),這種電氣傳動(dòng)從機(jī)械轉(zhuǎn)為伺服軸控制已經(jīng)被廣泛普及,例如全電動(dòng)注塑機(jī)、全伺服熱膜包裝、多電機(jī)傳動(dòng)紡紗、全伺服軸嬰兒紙尿褲……以及材料科技在不同領(lǐng)域的擴(kuò)展應(yīng)用,令工藝與傳動(dòng)控制變得越發(fā)復(fù)雜。這同樣意味著機(jī)器的程序不再是30年前那種簡單邏輯、電氣傳動(dòng)控制,更多的工藝控制、智能優(yōu)化需要被開發(fā)。

  2 工業(yè)軟件在其中扮演的角色

  早在1997年,貝加萊的Automation Studio工具平臺(tái)即被投入運(yùn)行,它的架構(gòu)極為靈活。即使今天,20多年過去了,它依舊能夠不斷跟隨前沿技術(shù),成為一個(gè)全集成自動(dòng)化工程平臺(tái)。我們講制造業(yè)里的“工業(yè)軟件”,Automation Studio就是“軟件的軟件”,即用于這些控制系統(tǒng)應(yīng)用的開發(fā),類似于半導(dǎo)體里的EDA設(shè)計(jì)軟件。

  就如同PC在我們生活中的應(yīng)用一樣,它同樣需要一個(gè)開發(fā)平臺(tái),無論是.Net、還是Java、Docker等,都需要開發(fā)工具。而裝備與這些軟件的開發(fā)更多的還在于它是一個(gè)跨平臺(tái)、跨學(xué)科的集成。

  (1)控制對(duì)象的演進(jìn)

  在70-90年代的電氣發(fā)展時(shí)代,PLC雖然已經(jīng)很好地管理了機(jī)器,但那時(shí)的機(jī)器還主要是邏輯控制,有些機(jī)器會(huì)有算法需求,比如注塑、單晶爐、PECVD這類設(shè)備。而且,大多數(shù)機(jī)器也就是純機(jī)械,電氣傳動(dòng)也是靠主軸傳動(dòng)的方式,所以,使用變頻器就可以了,它能夠穩(wěn)定地提供速度環(huán)控制。

  機(jī)器之所越來越復(fù)雜,在于越來越高的加工需求,包括:

  l 運(yùn)動(dòng)控制:印刷機(jī)從機(jī)械軸改為電子軸,而注塑機(jī)也從液壓改為全電動(dòng),紡織機(jī)械從機(jī)械改為多電機(jī)傳動(dòng),連火車都由單一車頭牽引改為“動(dòng)車組”——這些都是一種獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù),目的在于為機(jī)器提供更為靈活的生產(chǎn)能力;

  l 視覺:今天,視覺成本越來越低,其本身可以獲得更多的檢測(cè)資源;

  l 機(jī)器人:被集成到了機(jī)器里,以配合生產(chǎn)的外圍撿取、上下料任務(wù),有些是配合機(jī)器的加工任務(wù);

  l 柔性輸送:采用電磁控制的長定子直線電機(jī),也被用于后道的組裝,以改變機(jī)械輸送對(duì)生產(chǎn)的束縛,讓生產(chǎn)獲得更大柔性,并在個(gè)性化時(shí)代獲得效率提升;

  l 安全:隨著機(jī)器速度的提高,以及連線生產(chǎn)、機(jī)器人的集成,它對(duì)于人的潛在傷害風(fēng)險(xiǎn)也隨之加大,而功能安全成為了機(jī)器人身安全的保障,它需要機(jī)器安裝獨(dú)立的采集與控制單元,并經(jīng)由安全測(cè)試與認(rèn)證;

  l HMI:以前僅需要幾個(gè)按鈕、儀表,這顯然無法滿足較為復(fù)雜的圖形界面顯示(如動(dòng)畫),它會(huì)讓機(jī)器操作更為簡單;

  l AI集成:在硬件上,控制器的算力得到了進(jìn)一步提升,而另一方面作為一種軟件對(duì)象,它為機(jī)器提供了更為智能的動(dòng)態(tài)迭代能力,因此,也成為了當(dāng)前快速發(fā)展的領(lǐng)域,它需要與機(jī)器的實(shí)時(shí)控制交互來讓機(jī)器變得更聰明。

  (2)機(jī)器開發(fā)的流程

  機(jī)器開發(fā)的過程,包含了很多個(gè)任務(wù)。

  首先,在工程方面的配置、代碼開發(fā)與封裝方面,需要平臺(tái)進(jìn)行支持——在仿真方面,也需要與第三方的機(jī)械、工藝進(jìn)行交互與協(xié)助,在測(cè)試驗(yàn)證方面,需要針對(duì)邏輯、運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人動(dòng)作等進(jìn)行聯(lián)調(diào),以確保符合設(shè)計(jì)。

  其次,在仿真方面,除了控制系統(tǒng)自身,也需要結(jié)合機(jī)電傳動(dòng)控制、工藝建模與仿真,并實(shí)現(xiàn)機(jī)電、工藝與控制的協(xié)同仿真,采用虛擬測(cè)試驗(yàn)證方式來降低物理測(cè)試驗(yàn)證成本,以及并行開發(fā)來縮短機(jī)器開發(fā)周期。

  其三,在機(jī)器的調(diào)試階段,針對(duì)邏輯、工藝、電氣傳動(dòng)軸的程序、參數(shù)來進(jìn)行調(diào)試,并能夠?yàn)楣こ處煼答仚C(jī)器本身的運(yùn)行狀態(tài)及潛在的機(jī)械問題,進(jìn)而有效地提升開發(fā)效率。

  最后,在機(jī)器運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng),平臺(tái)軟件可以進(jìn)行診斷與維護(hù),并提供現(xiàn)場(chǎng)人員的程序升級(jí)等任務(wù),通過便捷的支持,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的機(jī)器運(yùn)維工作。

  3 Automation Studio對(duì)于機(jī)器研發(fā)的意義

  Automation Studio設(shè)計(jì)為機(jī)器的開發(fā)者提供專業(yè)的開發(fā)平臺(tái)支持,它在機(jī)器開發(fā)的各個(gè)階段提供高效開發(fā)集成。

  (1)建模與仿真

  它可以針對(duì)硬件、機(jī)器層面、生產(chǎn)過程多個(gè)級(jí)別的仿真,通過FMU/FMI或OPC UA接口,提供與第三方的仿真軟件之間的交互與協(xié)作。

  通過這些建模仿真軟件間的協(xié)作,可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器開發(fā)中的各種仿真,以提高開發(fā)效率。

工業(yè)軟件

  圖2 多個(gè)層級(jí)的建模與仿真軟件接口

  (2)軟件與工藝集成

  對(duì)于任何機(jī)器而言,其實(shí)它們的應(yīng)用軟件具有相同的分類:

  如圖3所示,可以看到,機(jī)器本身的運(yùn)行平臺(tái)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)確保機(jī)器的高速實(shí)時(shí)響應(yīng)。

  而機(jī)器的軟件,則由不同的應(yīng)用構(gòu)成。機(jī)器也同樣由大量的APP構(gòu)成,包括:

  l mappControl——主要聚焦在工藝控制類,如溫度、壓力、張力等,這些構(gòu)成了控制的工藝核心算法;

  l mappMotion——用于軸、軸同步、CNC、機(jī)器人、液壓庫等,提供機(jī)器的機(jī)電傳動(dòng)控制;

  l mappVIEW——用于機(jī)器的可視化,基于Web技術(shù),多終端訪問并支持拖拽的畫面編排;

  l mappService——包括機(jī)器的基本功能、報(bào)警、趨勢(shì)、配方、用戶、數(shù)據(jù)等各種功能;

  l mappSafety——提供滿足功能安全的安全邏輯設(shè)計(jì)、測(cè)試與驗(yàn)證……

工業(yè)軟件

  圖3 Automation Studio的裝備應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)

  如果mapp中沒有的行業(yè)或客戶獨(dú)特的算法,則可以基于C/C++等開發(fā),或采用MATLAB/Simulink為復(fù)用的模塊開發(fā),也可以被封裝為不同的APP,與其它已有模塊共同構(gòu)成機(jī)器應(yīng)用。

  4 連接——為了更高效率的機(jī)器

  在任何時(shí)候,機(jī)器的速度與精度總是矛盾的——唯一可以協(xié)調(diào)這個(gè)矛盾的,就是通信的時(shí)間粒度,也被稱為“實(shí)時(shí)性”。通過更快的采樣頻率,機(jī)器的傳輸、控制循環(huán)可達(dá)到更為高速、高精度。

  工程連接,必須有足夠的開放性,以支持跨供應(yīng)商的協(xié)作,貝加萊提供了針對(duì)各個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模塊,包括硬件和軟件。

  連接的另一個(gè)應(yīng)用在于“遠(yuǎn)程”的診斷與維護(hù),這可以通過無所不在的云資源來實(shí)現(xiàn)。

工業(yè)軟件

  圖5 連接與服務(wù)

  貝加萊不僅提供硬件的通信模塊,并且這些各種通信的配置、軟件調(diào)用都被封裝為可直接使用的模塊,通

  過簡單配置,即可與第三方系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接。

  5 AI讓機(jī)器更“聰明”

  AI的相關(guān)方法,如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí),其實(shí)很早就已經(jīng)被控制理論研究所應(yīng)用于控制。但是,過去由于算力的成本高昂,另一方面,也因?yàn)闄C(jī)理下的競(jìng)爭(zhēng)也“夠用”,因此,AI尚未被工業(yè)界有效的采用。

  今天,首先是競(jìng)爭(zhēng)越來越走向物理的極限,這導(dǎo)致了在剩余的那些改善空間里的提升都是致勝的關(guān)鍵。其次,算力也不再那么昂貴。這些為AI提供了一種對(duì)機(jī)器的動(dòng)態(tài)持續(xù)改善。

  自動(dòng)化與AI的資源橋接——交互。畢竟一個(gè)是周期性任務(wù)(Cyclic Task)、一個(gè)是事件驅(qū)動(dòng)型任務(wù)(Event-driven Task),其運(yùn)行的平臺(tái)也通常為RTOS和GPOS,因此需要構(gòu)建一個(gè)連接,讓IT和OT可以交互,以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。

工業(yè)軟件

  圖6 exOS連接AI世界

  在貝加萊,exOS是一個(gè)可以將基于Linux平臺(tái)的算法打包為Automation Studio可調(diào)用的模塊導(dǎo)入,使得周期性的控制任務(wù),可以為AI的學(xué)習(xí)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。而另一方面,通過學(xué)習(xí)系統(tǒng)訓(xùn)練的模型,也可以為實(shí)時(shí)任務(wù)提供新的“經(jīng)過優(yōu)化的參數(shù)”或“判斷和推理的規(guī)則”。

  通過IT與OT融合,機(jī)器會(huì)變得更“聰明”,這就相當(dāng)于過去的自動(dòng)化任務(wù)是按照既定邏輯來調(diào)度紅綠燈,而現(xiàn)在,它可以根據(jù)檢測(cè)的流量,來為各個(gè)方向的紅綠燈配置最合適的時(shí)間,以達(dá)到整個(gè)交通流的效率最高。這里的關(guān)鍵詞是“更聰明”——因?yàn)?,它在持續(xù)采樣,持續(xù)學(xué)習(xí),持續(xù)分析決策。

  6 打造裝備企業(yè)的軟實(shí)力

  Automation Studio是一款機(jī)器裝備開發(fā)的工具平臺(tái),它能夠?yàn)椴煌I(lǐng)域的用戶提供高效的機(jī)器開發(fā)工具,打造企業(yè)自身的軟實(shí)力,它是機(jī)器控制領(lǐng)域的首選工業(yè)軟件平臺(tái)??偨Y(jié)它帶來的好處可以包括以下幾點(diǎn):

  (1)構(gòu)建長期可用的高質(zhì)量發(fā)展平臺(tái)

  對(duì)于裝備企業(yè)的長期發(fā)展,的確需要一個(gè)穩(wěn)定的、能夠支撐其可持續(xù)的技術(shù)研發(fā)平臺(tái),這可以確保企業(yè)的知識(shí)和資源能夠被有效的保存,進(jìn)入一個(gè)良性的研發(fā)迭代過程,為企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

  (2)創(chuàng)新性開發(fā)

  開放的架構(gòu),會(huì)讓裝備企業(yè)能夠通過與機(jī)電仿真、控制工藝建模軟件間形成創(chuàng)新性的設(shè)計(jì),并且,在數(shù)字時(shí)代,可以與AI的應(yīng)用資源結(jié)合。

  (3)知識(shí)復(fù)用降低工程成本

  Automation Studio的知識(shí)封裝,積累了行業(yè)數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn),可以與用戶分享,同時(shí),自主開發(fā)的功能也可以被復(fù)用,這都是降低工程成本的關(guān)鍵因素,也降低了人員流動(dòng)帶來的知識(shí)流失風(fēng)險(xiǎn)。

  (4)快速面市

  讓機(jī)器能夠更為快速的迭代,并且升級(jí)的機(jī)器也可以節(jié)省大量開發(fā)時(shí)間,這就使得機(jī)器制造商總能走在市場(chǎng)的前沿。

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